ベリリウム

context: ベリリウム(新ラテン語:beryllium,英:beryllium[bəˈrɪliəm])は、原子番号4の元素である。
元素記号はBe。
原子量は9.01218。
第2族元素のひとつ。
はじめに、ルイ=ニコラ・ヴォークランが「グルシニウム」と名づけた。
語源のglykysは、ギリシア語で「甘さ」を意味する。
これは、ベリリウム化合物が甘みを持つことにちなんでいる。
1828年には、マルティン・ハインリヒ・クラプロートが「ベリリウム」と命名した。
この名前は緑柱石(beryl、ギリシア語でberyllos)に由来している。
qas: question: 元素記号がBeと表記される元素は何?
answers: text: ベリリウム

question: 「ベリリウム」と命名される前は何と名づけられたの?
answers: text: 「グルシニウム」

question: 「ベリリウム」の由来は何?
answers: text: 緑柱石

question: 「ベリリウム」と命名した人は誰なの?
answers: text: マルティン・ハインリヒ・クラプロート

context: 初期の分析において緑柱石とエメラルドは常に類似した成分が検出されており、この物質はケイ酸アルミニウムであると誤って結論づけられていた。
鉱物学者であったルネ=ジュスト・アユイはこの2つの結晶が著しい類似点を示すことを発見し、彼はこれを化学的に分析するために化学者であるルイ=ニコラ・ヴォークランに尋ねた。
1797年、ヴォークランは緑柱石をアルカリで処理することによって水酸化アルミニウムを溶解させ、アルミニウムからベリリウム酸化物を分離させることに成功した。
1828年にフリードリヒ・ヴェーラーとアントワーヌ・ビュシーがそれぞれ独自に、金属カリウムと塩化ベリリウムを反応させることによるベリリウムの単離に成功した。
qas: question: 緑柱石とエメラルドの結晶に多くの類似点があると発見した人物は?
answers: text: ルネ=ジュスト・アユイ

question: 金属カリウムと塩化ベリリウムを反応させてベリリウムの単離に成功した人は、アントワーヌ・ビュシーと他に誰がいますか?
answers: text: フリードリヒ・ヴェーラー

context: 第一次世界大戦以前にも有意な量のベリリウムが生産されていたが、大規模生産が始まったのは1930年代初期からである。
ベリリウムの生産量は、硬いベリリウム銅合金および蛍光灯の蛍光体用途の需要の伸びによって、第二次世界大戦中に急速に増加した。
初期の蛍光灯にはベリリウムを含有したオルトケイ酸亜鉛が使用されていたが、のちにベリリウムの有毒性が発見されたためハロリン酸系蛍光体に置き換えられた。
また、ベリリウムの初期の主要な用途のひとつとして、その硬さや融点の高さ、非常に優れたヒートシンク性能を利用した軍用機のブレーキへの利用が挙げられるが、こちらも環境への配慮から別の材料に代替された。
qas: question: ベリリウムの有毒性が分かった後、初期の蛍光灯に使用されていたオルトケイ酸亜鉛は、その後何に置き換えられたの?
answers: text: ハロリン酸系蛍光体

question: ベリリウムの生産量が急増加したのはいつ?
answers: text: 第二次世界大戦中

context: ベリリウムは緑柱石などの鉱物から産出される。
緑柱石は不純物に由来する色の違いによってアクアマリンやエメラルドなどと呼ばれ、宝石としても用いられる。
常温常圧で安定した結晶構造は六方最密充填構造(HCP)である。
単体は銀白色の金属で、空気中では表面に酸化被膜が生成され安定に存在できる。
モース硬度は6から7を示し、硬く、常温では脆いが、高温になると展延性が増す。
酸にもアルカリにも溶解する。
ベリリウムの安定同位体は恒星の元素合成においては生成されず、宇宙線による核破砕によって炭素や窒素などより重い元素から生成される。
qas: question: ベリリウムは単体では何色をしているの?
answers: text: 銀白色

question: ベリリウムは高温になるとどうなるの?
answers: text: 展延性が増す

context: ベリリウムは周期表の上では第2族元素に属しているが、その性質は同じ族の元素であるカルシウムやストロンチウムよりもむしろ第13族元素であるアルミニウムに類似している。
たとえば、カルシウムやストロンチウムは炎色反応によって発色するが、ベリリウムは無色である。
そのため、ベリリウムは第2族元素ではあるが、アルカリ土類金属には含めないこともある。
また、ベリリウムの二元化合物の構造は亜鉛とも類似している。
qas: question: ベリリウムの性質が類似しているのはカルシウム、ストロンチウム、アルミニウムの中でどれ?
answers: text: アルミニウム

question: ベリリウムの二元化合物の構造が類似している元素は何?
answers: text: 亜鉛

context: ベリリウムの常温、常圧(標準状態)における安定した結晶構造は六方最密充填構造(HCP)であり、その格子定数はa=2.268Å、b=3.594Åである。
モース硬度6から7と第2族元素の中でもっとも硬いが、粉砕によって粉末にできるほど脆い。
しかしながら、高温になると展延性が増すため、核融合炉のような高温条件で利用する用途において高い機械的性質を発揮することができる。
この用途では、400°Cを下回る温度になると使用上問題となるレベルにまで展延性が低下してしまう。
比重は1.816、融点は1,284°C、沸点は2,767°Cである。
qas: question: ベリリウムの常温常圧で安定した結晶構造は何?
answers: text: 六方最密充填構造

question: ベリリウムは第何族の元素の中でもっとも硬いの?
answers: text: 第2族

question: ベリリウムが400°Cを下回る温度になると、沸点はいくつになる?
answers: text: 2,767°C

context: ベリリウムのヤング率は287GPaと鉄のヤング率より50パーセントも高く、非常に強い曲げ強さを有している。
このような高いヤング率に由来してベリリウムの剛性は非常に優れており、後述の熱負荷の大きい環境における安定性も相まって宇宙船や航空機などの構造部材に利用されている。
また、このヤング率の大きさと、ベリリウムが比較的低密度であるという物性が組み合わさることにより、周囲の状況に応じて変化するものの、およそ秒速12.9キロという著しく高い音の伝導性を示す。
この性質を利用して音響材料におけるスピーカーの振動板などに用いられている。
ベリリウムの他の重要な特性としては、1925J⋅kg−1⋅K−1という高い比熱および、216W⋅m−1⋅K−1という高い熱伝導率が挙げられ、これらの物性によってベリリウムは単位重量当たりの放熱物性にもっとも優れた金属である。
この放熱物性を利用した用途としてヒートシンク材料が挙げられ、電子材料などにおいて活用されている。
またこれらの物性は、11.4×10−6K−1という比較的低い線形熱膨張率や1,284°Cという高い融点も相まって、熱負荷の大きな状況下における非常に高い安定性をもたらしている。
qas: question: ベリリウムと鉄のヤング率はどちらが高い?
answers: text: ベリリウム

question: 宇宙船や航空機などの構造部材にベリリウムが利用されているのは、どういった性質が優れているから?
answers: text: 剛性

question: ベリリウムが放熱物性にもっとも優れた金属であるのは、比熱とどういった物性が高いため?
answers: text: 熱伝導率

context: ベリリウムは通常、表面に酸化被膜を形成しているため酸に対しての強い耐性を示すが、酸化被膜を取り除いた純粋なベリリウムでは、塩酸や希硫酸のような酸化力を持たない酸に対しては容易に溶解する。
硝酸のような酸化力を有する酸に対してはゆっくりとしか溶解しない。
また、強アルカリに対してはオキソ酸イオンであるベリリウム酸イオン(Be(OH)42−)を形成して水素ガスを発生させながら溶解する。
このような酸やアルカリに対する性質はアルミニウムと類似している。
ベリリウムは水とも水素を発生させながら反応するが、水との反応によって生じる水酸化ベリリウムは水に対する溶解度が低く金属表面に被膜を形成するため、金属表面のベリリウムが反応しきればそれ以上反応は進行しない。
qas: question: ベリリウムが酸化力を持たない酸に対して簡単に溶解するのは、ベリリウムから何を取り除いた時?
answers: text: 酸化被膜

question: ベリリウムが水と反応して生じる物質は何?
answers: text: 水酸化ベリリウム

context: ベリリウム原子の電子配置は[He]2s2である。
ベリリウムはその原子半径の小ささに対してイオン化エネルギーが大きいため電荷を完全に分離することは難しく、そのためベリリウムの化合物は共有結合性を有している。
第2周期元素は原子量が大きくなるにしたがってイオン化エネルギーも増大する法則が見られるが、ベリリウムはその法則から外れており、より原子量の大きなホウ素よりもイオン化エネルギーが大きい。
これは、ベリリウムの最外殻電子が2s軌道上にあり、ホウ素の最外殻電子は2p軌道上にあることに起因している。
2p軌道の電子は内殻に存在するs軌道の電子によって遮蔽効果(有効核電荷も参照)を受けるため、2p軌道に存在する最外殻電子のイオン化エネルギーが低下する。
一方で2s軌道の電子は遮蔽効果を受けないため、相対的に2p軌道の電子よりもイオン化エネルギーが大きくなり、これによってベリリウムとホウ素の間でイオン化エネルギーの大きさの逆転が生じる。
qas: question: ベリリウムとホウ素では、どちらの方がイオン化エネルギーがより小さいの?
answers: text: ホウ素

question: ベリリウムとホウ素の間でイオン化エネルギーの大きさの逆転が生じるのは、ベリリウムの最外殻電子がどこにあるから?
answers: text: 2s軌道上

context: ベリリウムは宇宙において非常にまれな元素で、宇宙全体の平均濃度の推定値は重量濃度で1ppb(10億分の1)であり、ニオブより原子量の小さい元素の中ではホウ素と並んでもっとも存在率が小さい。
太陽内部でも重量濃度0.1ppbとまれであり、レニウムと同程度の存在量である。
一方、地球におけるベリリウム濃度は、地表の岩石中の重量濃度の推定値でおよそ2.8-5ppm、海水中でおよそ0.0006ppb、河川の水においては海水中よりは多くおよそ0.1ppbである。
太陽中のベリリウム濃度が地球上のベリリウム濃度と比較して著しく低い原因は、太陽の燃焼における核反応で消費されるためと考えられている。
qas: question: 太陽内部におけるベリリウムと同等の存在量である元素は何?
answers: text: レニウム

question: 太陽中のベリリウム濃度と地球上のベリリウム濃度はどちらの濃度が高いの?
answers: text: 地球上のベリリウム濃度

question: 地球上のベリリウム濃度の推定値において、地表の岩石中、海水中、河川の水で最も濃度が低いのはどこですか?
answers: text: 海水中

context: 地表の岩石中のベリリウム濃度は前述のようにおよそ2.8-5ppmであるが、ベリリウム鉱石によって高濃度にベリリウムが存在する地域もある。
ベリリウムは約4,000種類の既知の鉱石のうち、約100種類の鉱石において主成分となっており、その中でも重要なものは、ベルトラン石(Be4Si2O7(OH)2)、緑柱石(Al2Be3Si6O18)およびフェナカイト(Be2SiO4)である。
このようなベリリウム鉱石は、おもにマグマの冷却過程に由来するペグマタイト中で濃縮される。
また、ベリリウム鉱石は凝灰岩や閃長岩からも発見されており、これらはすべて火山活動に由来する火成岩や火山砕屑岩である。
また、土壌中のベリリウムは植物によってわずかに吸収され、カラマツなど特定の植物はベリリウムを蓄積する。
qas: question: ベリリウムを主成分とする鉱石は何種類あるの?
answers: text: 約100種類

question: 土壌中のベリリウムを吸収し、蓄積する植物は何?
answers: text: カラマツ

context: 大気中のベリリウム濃度は先進国の都市部でおよそ0.03-0.07ng/m3ほどであるが、ベリリウムの大気への主要供給源は化石燃料の燃焼によるものであるため、工業化の進んでいない国においてはさらに低濃度になると推測されている。
1987年のアメリカ合衆国環境保護庁のデータによれば、自然におけるベリリウムの大気への放出量は年間5.2トンほどであるが、化石燃料の燃焼を含む人類の活動によるベリリウムの大気への放出量は年間187.4トンにも及ぶ。
qas: question: 自然におけるベリリウムの大気への放出量と、化石燃料の燃焼を含む人類の活動によるベリリウムの大気への放出量はどちらが少ないですか?
answers: text: 自然におけるベリリウムの大気への放出量

question: ベリリウムの大気への主要供給源は何によるものですか?
answers: text: 化石燃料の燃焼

context: 工業規模でのベリリウム産出に関与しているのはアメリカ、中国、カザフスタンの3国のみである。
2008年時点のアメリカにおけるベリリウムおよびベリリウム化合物のおもな生産者は、ブラッシュ・エンジニアード・マテリアルズ社である。
ブラッシュ・エンジニアード・マテリアルズ社では、ベリリウムを製錬するための原料の大部分を自身が所有するスポール山の鉱床(ユタ州)から産出されるベリリウム鉱石(ベルトラン石を含む)から得ている。
ベリリウムの製錬およびほかの精製は、ユタ州デルタの北10マイルにある工場で行われており、その場所はインターマウンテン・パワー・プロジェクトによる発電設備から近くかつ町からも離れているために選ばれた。
1998年から2008年までの間、ベリリウムの世界の生産量は343トンからおよそ200トンにまで減少しており、200トンのうち176トン(88パーセント)はアメリカで生産されている。
真空鋳造によって製造されたベリリウムインゴットの2001年におけるアメリカ市場でのキログラム単価は745ドルであった。
日本での国内取り扱いトップの日本ガイシによると1キロあたり70-80万円である。
qas: question: 工業規模でのベリリウム産出に関与している3国の内、ユーラシア大陸に属していないのはどの国ですか?
answers: text: アメリカ

question: 1998年から2008年までの間に343トンから約200トンに減少したベリリウムの世界の生産量の内、半数以上を占める生産国はどこ?
answers: text: アメリカ

question: 2008年の段階で、ベリリウムとベリリウム化合物のアメリカにおけるおもな生産会社はどこ?
answers: text: ブラッシュ・エンジニアード・マテリアルズ社

question: 1998年から約10年間の間に、ベリリウムの生産量はどれくらいまで減少したの?
answers: text: およそ200トン

context: ベリリウムはおもに合金の硬化剤として利用され、その代表的なものにベリリウム銅合金がある。
また、非常に強い曲げ強さ、熱的安定性および熱伝導率の高さ、金属としては比較的低い密度などの物理的性質を利用して、高速航空機やミサイル、宇宙船、通信衛星などの軍事産業や航空宇宙産業において構造部材として用いられる。
ベリリウムは低密度かつ原子量が小さいためX線やその他電離放射線に対して透過性を示し、その特性を利用してX線装置や粒子物理学の試験におけるX線透過窓として用いられる。
qas: question: ベリリウムの物理的性質において、金属としての密度は高いのか低いのかどちらですか?
answers: text: 比較的低い

question: ベリリウムが合金の硬化剤として利用される代表例は何があるの?
answers: text: ベリリウム銅合金

question: 高速航空機やミサイル、宇宙船、通信衛星などの軍事産業や航空宇宙産業の構造部材として用いられる鉱物は何ですか?
answers: text: ベリリウム

question: ベリリウムをX線装置やX線透過窓として利用できるのは、X線や電離放射線に対してどのような特性を示すからなの?
answers: text: 透過性

context: ベリリウムの用途には、その物理的性質を利用したX線装置や構造材、鏡(ベリリウムミラー)、合金材料、音響材料としての用途、磁気的性質を利用した工具製造、電子物性を利用した電子材料、核的性質を利用した中性子源や、ベリリウム鉱石の外観の美しさを利用した宝石としての用途が挙げられる。
この中には核兵器やミサイル、射撃管制装置などの軍事的用途も含まれ、そのような分野に関する詳細な情報を入手することは難しい。
また、ベリリウムの毒性により、過去に用いられていた蛍光材料としての用途はすでにほかの代替材料に置き換えられており、ベリリウム銅合金なども代替材料の開発が進められている。
qas: question: 綺麗な見た目であるベリリウム鉱石の用途として何がある?
answers: text: 宝石

question: 現在、ベリリウムが蛍光材料として使用されていないのはどのような性質があるためですか?
answers: text: 毒性

question: 蛍光材料の他にベリリウムの代替材料が開発されているものは何?
answers: text: ベリリウム銅合金

question: 中性子源はベリリウムのどのような性質を利用したものなの?
answers: text: 核的性質

context: ベリリウムは原子番号が小さく電子の数が少ないため、X線に対する透過率が非常に高い。
そのため、X線源やビームライン、X線望遠鏡などの検出器用の窓に用いられる。
この用途においては、X線像に不要な像が写り込むことを回避するためにベリリウムの純度と清潔さがもっとも要求される。
また、X線探知機のX線放射窓としてもベリリウムの薄膜が用いられている。
これは、ベリリウムのX線吸収率が非常に低いことによって、高強度のシンクロトロン放射光に典型的な低エネルギーX線に起因する熱の影響を最小限に留めることができるためである。
さらに、シンクロトロンによる放射線試験のための真空気密窓およびビームチューブの素材にはベリリウムのみが用いられている。
ほかにも、エネルギー分散型X線分析などのさまざまなX線を利用した分析機器においては、ベリリウム製のサンプルホルダーが常用される。
これは、ベリリウムから発生する特性X線や蛍光X線の有するエネルギーが100eV以下と分析試料由来のX線と比較して非常に低く、試料の分析データに影響を与えないためである。
qas: question: ベリリウムがX線望遠鏡などの検出器用の窓に使用されるのは、X線に対して何が高いから?
answers: text: 透過率

question: ベリリウムのX線吸収率が非常に低いことから、X線探知機のX線放射窓にはベリリウムの何が用いられていますか?
answers: text: 薄膜

question: シンクロトロンによる放射線試験のための真空気密窓やビームチューブの素材に使われているのは何?
answers: text: ベリリウム

context: ベリリウムはまた、素粒子物理学の実験装置において高エネルギー粒子を衝突させる場所周辺のビームラインを構築するための素材として用いられる。
たとえば、大型ハドロン衝突型加速器の実験における主要な4つの検出器すべて(ALICE検出器、ATLAS検出器、CMS検出器、LHCb検出器)やテバトロン、SLAC国立加速器研究所において用いられている。
このような用途においてはベリリウムが持つさまざまな性質が効果的に働いている。
すなわち、ベリリウムの原子番号の小ささに由来する高エネルギー粒子に対する透過性が比較的高いという性質や、ベリリウムの密度が低いという性質によって、粒子の衝突によって発生した生成物を重大な相互作用なしに周囲の検出器へと誘導することができる。
また、ベリリウムは剛性が高いためベリリウムのパイプ内を非常に高真空にでき、残留した気体分子による相互作用を最小限にすることができる。
さらに、ベリリウムは熱的に非常に安定しているため、絶対零度よりわずかに高い程度の極低温においても正常に機能することができる。
そのうえ、ベリリウムの反磁性を有する性質によって、粒子線を収束させて検出器まで導くために用いられる複雑な多極電磁石システムへの干渉を防ぐことができる。
qas: question: 大型ハドロン衝突型加速器の実験における主要な検出器に用いられているものは何ですか?
answers: text: ベリリウム

question: ベリリウムの高エネルギー粒子に対する透過性が比較的高いのは、ベリリウムの何に由来していますか?
answers: text: 原子番号の小ささ

question: 粒子の衝突によって発生した生成物を重大な相互作用なしに周囲の検出器へと誘導することができるのは、ベリリウムの何が低いからですか?
answers: text: 密度

context: ベリリウムミラーは、気象衛星のような低重量および長期間の寸法安定性が重要とされる用途に対する大面積の鏡(しばしばハニカムミラー)に用いられる。
たとえば、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主鏡はベリリウム製であり、同様の理由でスピッツァー宇宙望遠鏡もベリリウム製の反射望遠鏡が用いられている。
また、より小さなベリリウムミラーは光学的な制御システムや射撃管制装置に用いられる。
たとえば、ドイツの主力戦車であるレオパルト1やレオパルト2に用いられている。
これらのシステムには鏡の非常に迅速な動きが要求されるため、ベリリウムの低重量かつ高剛性な性質が必要とされる。
通常このベリリウムミラーは、光学的仕上げ材による研磨をより容易に行えるように無電解ニッケルめっきによって被覆される。
しかしながら極低温条件で用いる場合などには、熱膨張率の違いによって被覆材に歪みが生じてしまうため、このような用途においては被覆材を用いずに直接磨き上げられる。
qas: question: 低重量および長期間の寸法安定性が重要とされる用途に対する大面積のミラーに使われるものは何ですか?
answers: text: ベリリウムミラー

context: ベリリウムは低質量かつ高剛性であるため、およそ12.9km/sと高い音の伝導率を示す。
ベリリウムのこの物性を利用して、ツイーター(高音域スピーカー)の振動板としておもにドーム型に成形し使用される。
しかしながら、ベリリウムはしばしばチタン以上に高価であり、その脆性の高さにより成形が困難であり、処置を誤れば製品の毒性を封印できないため、ベリリウム製のツイーターはハイエンドな家庭用や業務用オーディオ、PublicAddressなどの用途に限られている。
高音域スピーカーの振動板としての使用例としては、ヤマハ・パイオニアなどの音響機器メーカーの製品があり、またヤマハ・パイオニア・オーディオテクニカ・グレース製ピックアップ・カートリッジのカンチレバーに用いられた例がある。
また、その熱伝導率のよさから、セラミック送信管(アイマック社製、eimac8873)の本体および純正放熱用熱伝導体として酸化ベリリウムが採用された例がある。
ベリリウムはほかの金属との合金としても頻繁に利用されるが、その合金組成に明記されないこともある。
qas: question: ベリリウムの低質量、高剛性の物性を利用して成形されるツイーター(高音域スピーカー)の振動板は、通常どのような型をしていますか?
answers: text: ドーム型

question: ベリリウムの伝導率はどれくらいですか?
answers: text: およそ12.9km/s